CN102573121B - 一种无线Mesh路由器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线Mesh路由器，属于无线通信设备。该无线Mesh路由器包括无线网卡、数据处理部分和10M/100M网口三个部分；数据处理部分的网络处理芯片作为主控，外扩RAM和Flash芯片用于程序的存储和数据的暂存，FPGA芯片和无线网卡通信将网络数据包的处理后发给网络处理芯片；10M/100M网口将获取的无线数据输出和需要转发的数据输入。本发明使组网能够快速且有效地完成，适合用户组建大型无线Mesh网络。冗余路由的设计可保证在有个别路由器损坏或故障的情况不影响正常的数据传输，提高无线链路层的抗干扰能力和带宽稳定性，节约有限的频谱资源。与无线传感器网络节点相结合，方便进行功能扩展。

Description

一种无线Mesh路由器

技术领域

本发明涉及一种无线Mesh路由器，属于无线通信设备，特别涉及到一种无线Mesh网络的组网和路由方法。

背景技术

随着无线通信技术和Internet的高速发展，融合二者实现Mobile Internet已经成为目前的研究热点。无线Mesh网络（Wireless Mesh Networks,又称无线网状网、无线网格网等）也因此越来越多地得到人们的关注。无线Mesh网络是一种基于多跳路由、对等网络技术的新型网络结构，具有移动宽带的特性。它由Ad-Hoc网络（一种无线多跳网络）发展变化而来，承袭了Ad-Hoc网络动态扩展、自组网、自配置、自管理以及自愈合等优良特性。

本发明无线Mesh路由器，利用多模块技术彻底解决了无线Mesh多跳损耗问题，并采用多种先进的标准技术在无线性能比如传输距离、移动速率、抗干扰、穿透等方面和无线网络安全方面大幅提高，支持复杂或对安全要求高的环境下开展无线数据传输、无线视频图像监控、IP视频会议、IP音视频电话、无线定位、无线数控等业务。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计一种无线Mesh路由器，可根据用户的组网应用增减模块，且各模块可灵活配置成AP模块、回传模块或大功率回传模块。应具备分布式多跳功能，允许网络中节点的自动加入，可接入互联网，能迅速实现无线覆盖。

本发明采用的解决方案如下：

该无线Mesh路由器包括无线网卡、数据处理部分和10M/100M网口三个部分。数据处理部分的网络处理芯片作为主控，外扩RAM和Flash芯片用于程序的存储和数据的暂存，FPGA芯片和无线网卡通信将网络数据包处理后发给网络处理芯片，从而降低网络处理芯片的负荷，加快数据传输速度。10M/100M网口可将获取的无线数据输出和需要转发的数据输入。

运行于网络处理芯片上的协议专门为无线Ad-hoc Mesh网设计。该协议属主动路由协议，主动维护Mesh网中所有可以通过单跳或者多跳链路通信的节点信息。核心策略是从单跳邻居节点中选取一个能与目的节点进行通信的最佳节点。为了实现基于IP的多跳路由，节点的路由表还必须包含一个用于连接互联网的网关节点。

每个路由器节点通过发送和接收节点发现消息NDMgs（Node DiscoverMessages）来实现路由表的建立，链路通信质量的分析，进而实现路由。NDMgs包括的信息为版本，生存时间（TTL），网关标志（GWFlags），网关端口，序列号，节点的IPv4地址。如下表1所示。

表1：节点发现消息数据包格式

NDMgs数据包共10字节，其中版本为版本号，4个比特；生存时间（TTL），8个比特，可以用来定义跳数的上限；网关标志（GWFlags），8个比特，如果节点可以接入互联网，那么它可以作为一个Internet网关，设置GWFlags为描述网络连接的参数（上下行速率等），如果节点不提供互联网接入，它必须设定GWFlags为0；网关端口，8个比特，定义网络连接的端口；序列号，16个比特，NDMgs的连续编号，每个新的NDMgs序列号增加1；节点地址，32个比特，节点的IPv4地址。

在组网过程中每个路由器节点对于网络中其他节点维护以下信息：IPv4地址，序列号。如果该节点提供了一个互联网网关，需要记录其参数。建立邻居信息列表，列表中的滑动窗口用来记录收到的若干个NDMgs的序列号，数据包计数用来记录收到的NDMgs的数目，最新TTL字段用来记录最近接收到的NDMgs的TTL。

每个节点都必须定期生成和广播NDMgs。发送时，根据自身信息来设置NDMgs消息的各字段。接收到NDMgs之后，首先要检测NDMgs版本和发送地址信息，如果版本与自身不同，或者其发送者地址与自身地址相同，那么该NDMgs必须被丢弃。之后根据发送者地址建立或者更新对应邻居信息列表表项。还需综合发送方的通讯信号强度（RSSI/RSI）和预测的丢包率（last_rx）两项，经过时间积分后，量化为链路通信质量（最大值255表示当前链路通信质量最好，最小值0，表示当前链路通信质量最差），用以选择最佳下一跳节点。最后对该NDMgs的TTL字段减1后，如果不等于0，那么将其重播。

维护通讯路由表的进程还将能够直接与自身通讯的相邻节点（单跳）的链路通信质量值，以及收到的其他节点的NDMgs信息包含在自身的NDMgs中并发送至相邻节点。选路时，将到达目的节点的多条链路的通信质量做损耗累计，选择损耗最小的路径，作为到达目的节点的最佳路径，以实现多跳功能。同时及时清理失效路由。

如果节点能够接入互联网，那么节点就通过NDMgs向网络中声明自己为接入因特网的网关。节点的广播报文包括了描述连接上行下行速率参数等。还发送一个用来建立的UDP通道的端口号。

无线通讯使用64位或128位的AES加密方式，所有通讯信息以及NDMgs信息均加密发送，无线路由器可以工作在802.11a/b/g的方式。

本发明的效果和益处是：

（1）获取到目标的最佳下一跳是算法的核心，分析链路的通信质量主要通过对协议数据包丢失和传播速度进行统计来完成，使组网能够快速且有效地完成。

（2）多跳组网，适合用户组建大型无线Mesh网络。冗余路由的设计可保证在有个别路由器节点损坏或故障的情况下，不影响正常的数据传输。

（3）优化的MAC层协议，提高无线链路层的抗干扰能力和带宽稳定性，节约有限的频谱资源。

（4）与无线传感器网络节点相结合，方便进行功能扩展，比如：增加温度、湿度、风速、风向、雨量等传感器，可以对目标区域进行全方位的监测。

（5）使用防水设计，预留防水电源接口、网络接口和天线接口，便于施工、安装和调试。

附图说明

附图是无线路由器结构图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例：本发明的技术方案，该无线Mesh路由设备的数据处理部分的网络处理芯片选用Atheros ar7130，这款芯片有MIPS24K核心，处理速度为300MHz，RAM采用采用Nanya公司的32MB SDRAM，Flash芯片采用HYNIX公司的64MB的Flash，FPGA芯片选用Xilinx公司的xc9536xl，xc9536xl系统时钟可达178MHz，I/O端口34个，宏单元36个，通过miniPCI接口和AR5413无线网卡通信。数据的传输速度能够1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps、6Mbps、9Mbps、12Mbps、18Mbps24Mbps、36Mbps、48Mbps、54Mbps、108Mbps之间手动切换或自动切换，无线通讯支持WEP、AES、AES_CCM、TKIP加密方式。

为了增加该无线Mesh路由器的应用范围，在接口和外壳设计方面选多个以太网电口、单模光口、多模光口、ATM口。提供与传感器网络的接口，采用一体化结构设计，达到IP66的防护等级。内置以太网防雷、电源防雷，各组件均采用汽车电子级器件。外部接口采用航空级连接器，保证可靠的电源和网络连接。附带安装套件，能够支持挂墙安装、抱横杆安装、抱竖杆安装。附带专用遮阳板，以确保设备在高温烈日情况下稳定工作。供电方式，交流、直流、POE、太阳能、风能可选。使该发明可广泛应用于无线视频监控、港口、油田、货场、无线校园、无线城市，应急通讯等领域。

Claims (1)

1.一种无线Mesh路由器，其特征在于，该无线Mesh路由器包括无线网卡、数据处理部分和10M/100M网口三个部分；数据处理部分的网络处理芯片作为主控，外扩RAM和Flash芯片用于程序的存储和数据的暂存，FPGA芯片和无线网卡通信将网络数据包处理后发给网络处理芯片，降低网络处理芯片的负荷，加快数据传输速度；10M/100M网口将获取的无线数据输出和需要转发的数据输入；

每个路由器节点通过发送和接收节点发现消息NDMgs来实现路由表的建立，链路通信质量的分析，进而实现路由；NDMgs包括的信息为版本、生存时间（TTL）、网关标志（GWFlags）、序列号、节点的IPv4地址；如下表1所示：

表1：节点发现消息数据包格式

NDMgs数据包共10字节，其中版本为版本号，4个比特；生存时间（TTL），8个比特，用来定义跳数的上限；网关标志（GWFlags），8个比特，如果节点接入互联网，那么它作为一个Internet网关，设置GWFlags为描述网络连接的参数，如果节点不提供互联网接入，它必须设定GWFlags为0；网关端口，8个比特，定义网络连接的端口；序列号，16个比特，NDMgs的连续编号，每个新的NDMgs序列号增加1；节点地址：32个比特，节点的IPv4地址；

在组网过程中每个节点对于网络中其他节点维护以下信息：IPv4地址，序列号，如果该节点提供了一个互联网网关，记录其参数；建立邻居信息列表，列表中的滑动窗口用来记录收到的若干个NDMgs的序列号,数据包计数用来记录收到的NDMgs的数目，最新TTL字段用来记录最近接收的NDMgs的TTL；

每个节点都必须定期生成和广播NDMgs；发送时，根据自身信息来设置NDMgs消息的各字段；接收到NDMgs之后，首先要检测NDMgs版本和发送地址信息，如果版本与自身不同，或者其发送者地址与自身地址相同，那么该NDMgs必须被丢弃；之后根据发送者地址建立或者更新对应邻居信息列表表项；还需综合发送方的通讯信号强度（RSSI/RSI）和预测的丢包率（last_rx）两项，经过时间积分后，量化为链路通信质量，用以选择最佳下一跳节点；最后对该NDMgs的TTL字段减1后，如果不等于0，那么将其重播；

如果节点能够接入互联网，那么节点就通过NDMgs向网络中声明自己为接入因特网的网关；节点的广播报文包括了描述连接上行下行速率参数；还发送一个用来建立的UDP通道端口号；

无线通讯使用64位或128位的AES加密方式，所有通讯信息以及NDMgs信息均加密发送，无线路由器工作在802.11a/b/g的方式。

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